Темная материя составляет примерно 85 процентов всей материи во Вселенной. Ее природа, однако, по-прежнему неизвестна. Тем не менее в существовании этой загадочной субстанции ученые почти не сомневаются: именно ее гравитационное воздействие на галактики удерживает их вместе.
В Стандартной космологической модели ΛCDM темная материя влияет на эволюцию Вселенной прежде всего через гравитацию. Некоторые теоретические модели, однако, предполагают, что между ее гипотетическими частицами могут существовать дополнительные взаимодействия — своеобразные «темные силы», не связанные с обычным веществом. Выявить такие силы можно лишь косвенно — по их влиянию на формирование и рост космических структур.
Авторы новой научной работы изучили один из самых простых вариантов такой идеи (хотя от общепринятой она далека). В их модели между частицами темной материи действует дополнительная сила, переносимая очень легкой скалярной частицей. На первый взгляд, подобное взаимодействие должно усиливать притяжение между сгустками темной материи и помогать структурам расти быстрее. Детальный анализ, однако, показал, что все намного сложнее.
Дополнительная темная сила действительно усиливала локальное «склеивание» темной материи, но в то же время влияла на общую эволюцию ее плотности во Вселенной. По итогу эти эффекты почти полностью компенсировали друг друга. Для наблюдений слабого гравитационного линзирования, которые чувствительны к общей массе и распределению вещества, предполагаемое усиление роста структур фактически исчезало.
Исследователи также учли ограничения, накладываемые измерениями реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва. Выяснилось, что модели темной силы, согласующиеся с этими данными, требуют большего вклада темной энергии в поздней Вселенной. Это, в свою очередь, приводит уже не к нейтральному эффекту, а к заметному подавлению роста космических структур по сравнению с ΛCDM.
В более сложных сценариях переносчик обладал хотя бы ненулевой массой. Правда, ситуацию это не улучшило: хотя некоторые компенсационные эффекты становились слабее, сами частицы-переносчики вносили дополнительный вклад в космическую динамику и в результате еще сильнее препятствовали образованию крупных структур.
Результаты исследования, опубликованного в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, показали, что простые модели дополнительной силы едва ли могут объяснить наблюдаемые космологические аномалии, связанные с ростом структур. Напротив, они предсказывают противоположный эффект.
При этом авторы статьи не исключили существование более сложных взаимодействий темной материи. Значит, будущим теориям придется учитывать строгие ограничения, вытекающие из наблюдений реликтового излучения и крупномасштабной структуры Вселенной.
Хотя природа темной материи остается одной из главных загадок современной физики, ученые почти не сомневаются в ее существовании. В то же время ни одна из многочисленных гипотез, связывающих ее с элементарными частицами, не получила подтверждения. Как и предположения о существовании темных сил. Поэтому исследователи продолжают искать как новые свойства темной материи, так и альтернативные объяснения космических явлений.